JP6835450B2 - 微細気泡発生ノズル - Google Patents

Description

本発明は、旋回流方式により微細気泡を発生する微細気泡発生ノズルに関する。

従来、旋回流方式の微細気泡発生ノズルの一例として、特許文献１に開示されたものがある。従来の微細気泡発生ノズルは、一端に液体を導入する導入口を有するとともに、他端に液体を導出する導出口を有する筒状のケーシング体内に、ケーシング体の周壁に開口した吸気口から気体を導入して液体と混合させる気液混合部と、気液混合体を旋回流となす旋回流形成部とを備えている。旋回流となった気液混合体は、放出される際に強い回転の影響で横にはじき飛ばされる力を受け、気体が渦の崩壊に伴ってねじりと引っ張りの作用を受けて分断される。このようにして分断化されることにより、微細気泡が生成される。

また、旋回流方式の微細気泡発生ノズルを発展させたものとしては、特許文献２に開示されたものがある。この微細気泡発生ノズルは、旋回流方式によって微細気泡が生成された気液混合体を循環させ、せん断することにより、より多くの微細気泡を生成しようとするものである。

特開２００７−２１３４３号公報 特許第４６７８６１７号公報

しかしながら、特許文献１に示す微細気泡発生ノズルは、旋回流を放出したときのせん断力を利用して微細気泡を生成するだけのものなので、マイクロレベル（数十〜数百μｍ）およびナノレベル（１μｍ未満）の微細気泡を大量に生成できない問題を有していた。また、特許文献２に示す微細気泡発生ノズルは、実際のところ、気液混合体を循環させられないので、微細気泡の大量生成を実現できない問題を有していた。

本発明は、上記問題に鑑みて創生されたものであり、マイクロレベルおよびナノレベルの微細気泡の発生割合を大幅に高めた微細気泡発生ノズルを提供することを目的とする。

気液混合体を導入する導入室と、前記導入室から流出した気液混合体を旋回させる旋回室と、旋回した気液混合体を導出する導出流路と、前記導出流路から分岐する分岐流路と、前記分岐流路へ流入せずに導出流路の下流へ到達した気液混合体を導出流路の上流へ循環する循環流路とを備える微細気泡発生ノズルによる。

気液混合体を導入する導入室と、前記導入室から流出した気液混合体を旋回させる旋回室と、旋回した気液混合体を導出する導出流路と、前記導出流路から分岐する分岐流路と、前記分岐流路へ流入せずに導出流路の下流へ到達した気液混合体を導出流路の上流へ循環する循環流路と、を備える微細気泡発生ノズルにおいて、前記循環流路は筒状部材の内孔であって、この筒状部材は、導出流路内に挿入され、筒状部材の下流側端部の外周面には導出流路と筒状部材の内孔とを連通し、導出流路の下流へ到達した気液混合体を筒状部材の内孔へ導入する入口穴が形成されるとともに、筒状部材の上流側端部の外周面には導出流路と筒状部材の内孔とを連通し、筒状部材の内孔を逆流する気液混合体を導出流路の上流へ導出する出口穴が形成されている微細気泡発生ノズルによる。

また、前記分岐流路は、出口の開口面積が入口の開口面積よりも広くなるように形成されていることが好ましい。

本発明によれば、マイクロレベルおよびナノレベルの微細気泡を大量に発生可能な微細気泡生成ノズルを提供することができる。

本発明の微細気泡発生ノズルにおける正面視の縦断面図である。 本発明の微細気泡発生ノズルにおける旋回室の内部構造を示す平面側からの斜視図である。 本発明の微細気泡発生ノズルにおける旋回室の内部構造を示す底面側からの斜視図である。 本発明の微細気泡発生ノズルにおけるせん断室の内部構造を示す平面側からの斜視図である。 本発明の微細気泡発生ノズルにおける各流路の内部圧力を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１において、１は微細気泡発生ノズルであり、第１の本体１１と、第２の本体１２とから成るノズル本体１０を有している。ノズル本体１０の内部には、気液混合体Ｌを導入する導入室２０と、気液混合体Ｌを旋回流にする旋回室３０と、旋回流となった気液混合体Ｌをせん断して微細気泡を生成するせん断室５０とが形成されている。

導入室２０は、一端に導入口２１を備えており、ここから気液混合体Ｌが導入されるように構成されている。また、この導入室２０は、下流側に向かうにつれて内径が小さくなるように形成されており、ここには旋回室３０が連通している。

旋回室３０の内径は、導入室２０と連通する部分から中間地点まで徐々に大きくなり、中間地点を過ぎてから導出口３１までは徐々に小さくなるように形成されている。また、旋回室３０の内部には、中子４０が配設されている。中子４０は、略円錐形状（具体的には栗形状）に成形されており、旋回室３０の内壁に沿う外形を成している。この中子４０の頂部４２を上流側に向けるようにして、中子４０は、旋回室３０の内部に嵌合させるように配設されている。

図２に示すように、中子４０の側面４１には、所定の旋回角度で時計回りに方向転換する羽根部４３ａが突設されており、同様の羽根部４３ａが等間隔に六本配置されている。そして、隣接する羽根部４３ａ間の隙間によって、旋回流路４３が形成されている。

前記旋回流路４３は、底面４３ｂと、内側側面４３ｃと、外側側面４３ｄとを備えており、中子４０を旋回室３０の内部に配設したとき、底面４３ｂに対向する開口部分は、旋回室３０の内壁によって閉ざされる。要するに、側旋回流路４３は、底面４３ｂ、内側側面４３ｃ、外側側面４３ｄおよび旋回室３０の内壁の四面によって構成されている。このような構成により、旋回流路４３は、図２の二点鎖線で示すように、旋回室３０に流れ込んだ気液混合体Ｌに対し、旋回方向の速度成分を生じさせる。

また、旋回流路４３の内面のうち、底面４３ｂおよび外側側面４３ｄは、気液混合体Ｌの流れる方向へ降段するような段形状に形成されており、段差部分に渦流を発生させるように構成されている。同様に、旋回室３０の内壁３３も段形状に形成されている。

さらに、旋回流路４３の入口Ａおよび出口Ｂは、入口Ａの溝深さが出口Ｂの溝深さよりも深く、かつ入口Ａの開口面積が出口Ｂの開口面積より大きくなるように構成されている。

図３に示すように、底面視において、前記中子４０の底面４４には、所定の旋回角度で時計回りに方向転換する羽根部４５ａ，４５ｂが突設されている。羽根部４５ａと羽根部４５ｂとでは、旋回角度が異なり、旋回角度の異なる下流側羽根部４５ａ，４５ｂが所定の間隔をおいて交互に六本配置されている。そして、隣接する下流側羽根部４５ａと下流側羽根部４５ｂとの隙間によって、気液混合体Ｌの流路としての旋回流路４５が形成されている。

中子４０を旋回室３０の内部に配設したとき、旋回流路４５は、その底面４４に対向する開口部分が旋回室３０の内壁によって閉ざされるように構成されている。このため、旋回流路４５には、図３の二点鎖線で示すように気液混合体Ｌが流れ、旋回流路４５は、旋回流路４３を通過して流れ込んだ液体Ｌに対し、さらに旋回方向の速度成分を生じさせるように構成されている。このように、中子４０の側面４１に形成された旋回流路４３と、中子４０の底面４４に形成された旋回流路４５とによって、旋回室３０の内部には旋回流路４５が形成されている。

図１およひ図４に示すように、前記旋回室５０の内部には、複数の部材を積層して成るせん断部材６０が配設されている。せん断部材６０は、有底中空円筒状に形成されており、この有底中空穴が導出流路６１であって、その開口部分が旋回室３０の導出口３１と連通する。また、せん断部材６０には、導出流路６１から分岐してせん断部材６０の外周面まで延びる分岐流路６２が形成されている。

前記分岐流路６２は、円周方向に等間隔をおいて一列に六本設けられ、これを三列設けることにより、合計１８本形成されれている。なお、図面においては、便宜上、全ての分岐流路の部品番号は、６２と付記する。また、図４に示すように、分岐流路６２は、導出流路６１と連通する入口６２ａと、せん断部材６０の外周面に開口する出口６２ｂとを備えており、分岐流路６２の断面積は、入口６２ａから出口６２ｂにかけて徐々に拡がるように構成されている。さらに、分岐流路６２の両側面においては、一方の側面が曲面６２ｃで、これに対向する他の側面が平面６２ｄに形成されている。このように構成された分岐流路６１によって、微細気泡の生成割合が高められている。

図１に示すように、前記せん断部材６０は、その外周面と旋回室５０の内壁との間に所定の間隔を空けて旋回室５０の内部に配設されており、旋回室５０の内壁とせん断部材６０の外周面との隙間によって吐出流路６３が形成されている。また、せん断部材６０の外周面には複数の孔を有する気泡切断パネル６４が巻きかけられている。さらに、せん断部材６０は、蓋体７０によって保持されており、この蓋体７０は、ノズル本体１０の端部に取り付けられる。蓋体７０は、吐出流路６３と連通する多数の吐出孔７１を有している。このため、前記分岐流路６２の出口６２ｂから流出した気液混合体Ｌは、気泡切断パネル６４の孔を通過し、吐出流路６３へ流れ込み、吐出孔７１から噴射される。

一方、導出流路６１の内部には、両端が開口する中空円筒状の筒状部材である循環パイプ６５が挿入されており、この中空穴が循環流路６６である。ただし、循環パイプ６５は、一端がせん断部材６０の有底中空穴の底面（つまり、導出流路６１の最下流部）によって閉ざされ、他端が中子４０の底面によって閉ざされるように導出流路６１内に配設されている。また、循環パイプ６５は、その外周面と導出流路６１の内壁との間に隙間を空けて導出流路６１の内部に配設されており、この隙間を気液混合体Ｌが流れる。

前記循環パイプ６５において、下流側端部の外周面には、等間隔に４つの入口穴６６ａが形成されており、同様に、上流側端部の外周面には、等間隔に４つの出口穴６６ｂが形成されている。これら入口穴６６ａおよび出口穴６６ｂは、導出流路６１と循環流路６６とを連通する。

以上のように、構成された微細気泡発生ノズルの基本動作および作用効果を説明する。

導入口２１から導入された気液混合体Ｌは、導入室２０を流れ、旋回室３０へ流入する。このとき、気液混合体Ｌは、旋回流路４３に続いて旋回流路４５を流れることにより高速の旋回流となる。さらに、旋回流路４３および旋回流路４５の内面は、段形状になっていることにより、小さな渦流が発生する。この渦流によって気液混合体Ｌと旋回流路４３および旋回流路４５との摩擦抵抗が低減されるので、気液混合体Ｌは、さらに高速の旋回流となる。しかも、旋回流路４３は、開口面積が入口Ａから出口Ｂにかけて徐々に小さくなるように構成されているので、旋回流路４３に発生する渦のサイズは非常に小さくなり、摩擦抵抗の低減効果を高めることができる。

高速の旋回流となった気液混合体Ｌは、導出口３１から導出流路６１へ流れ込み、導出流路６１内では循環パイプ６５を中心にしてその外周を旋回するようにして導出流路６１の下流側へ流れる。ただし、全ての気液混合体Ｌが導出流路６１の上流から下流へ向かうのではなく、外側の気液混合体Ｌは旋回による遠心力によって分岐流路６２へ流れ込む。

分岐流路６２を流れる気液混合体Ｌは、入口６２ａ近傍で最も流速が高めらるとともに減圧により気泡が膨張する。そして、分岐流路６２を流れる際に、気泡がせん断されることにより崩壊して収縮するため、このとき大量の微細気泡が生成される。特に、分岐流路６２は流路の断面積が入口６２ａから出口６２ｂにかけて徐々に拡がっているので、気泡の崩壊および収縮が促進される。

続いて、分岐流路６２の出口６２ｂから流出した気液混合体Ｌは、気泡切断パネル６４によって細分化され、吐出流路６３を通過して吐出口７１から噴射される。

他方、分岐流路６２へ流れ込まずに、導出流路６１の最下流へ到達した気液混合体Ｌは、入口穴６６ａから循環パイプ６５内の循環流路６６へ流れ込み、導出流路６１内での流れとは逆方向に流れ、出口穴６６ｂから導出流路６１へ流出される。このようにして、循環パイプ６５の循環流路６６は、導出流路６１内の気液混合体Ｌの一部を下流から上流へ循環する。導出流路６１内において循環パイプ６５を中心にしてその外周を旋回する気液混合体Ｌのうち、内側に位置する気液混合体Ｌが導出流路６１の最下流部へ到達するのだが、このように、内側を旋回する気液混合体Ｌは、気体の混合割合が高くなっており、分岐流路６２を通過しても微細気泡を生成しにくい状態といえる。本発明の微細気泡発生ノズル１によれば、このような気液混合体Ｌを繰り返し上流へ循環させることにより、気体と液体の混合比率を適正にして分岐流路６２を通過させることにより、微細気泡の生成割合を高めることができる。

ここで、図５は、本発明の微細気泡発生ノズル１における各流路の内部圧力を濃淡で示した図であり、内部圧力が高い箇所を濃色で示し、内部圧力が低い箇所を淡色で現している。図５に示すように、各流路の内部圧力は、導入室２０が最も高く、次いで旋回室３０の上流から下流の順で低くなり、次いで導出流路６１、分岐流路６２および循環流路６６が低い。特に循環流路６６全体の内部圧力が最も低いため、導出流路６１の最下流部へ到達した気液混合体Ｌは負圧によって循環流路６６内へ吸い込まれる。また、分岐流路６２の入口６２ａ近傍の内部圧力は、循環流路６６の内部圧力と同じくらい低いため、導出口３１付近の気液混合体Ｌが循環流路６６の出口穴６６ｂへ流入し、入口穴６６ａへ向かうような流れを形成することはない。

なお、本発明の各部の具体的な構成は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１ 微細気泡発生ノズル
１０ ノズル本体
２０ 導入室
２１ 導入口
３０ 旋回室
３１ 導出口
４０ 中子
４５ 旋回流路
５０ せん断室
６０ せん断部材
６１ 導出流路
６２ 分岐流路
６３ 吐出流路
６４ 気泡切断パネル
６５ 循環パイプ
６６ 循環流路
６６ａ 入口穴
６６ｂ 出口穴
７０ 蓋体
７１ 吐出口

Claims (2)

1. 気液混合体を導入する導入室と、
   前記導入室から流出した気液混合体を旋回させる旋回室と、
   旋回した気液混合体を導出する導出流路と、
   前記導出流路から分岐する分岐流路と、
   前記分岐流路へ流入せずに導出流路の下流へ到達した気液混合体を導出流路の上流へ循環する循環流路と、を備える微細気泡発生ノズルにおいて、
   前記循環流路は筒状部材の内孔であって、この筒状部材は、導出流路内に挿入され、筒状部材の下流側端部の外周面には導出流路と筒状部材の内孔とを連通し、導出流路の下流へ到達した気液混合体を筒状部材の内孔へ導入する入口穴が形成されるとともに、筒状部材の上流側端部の外周面には導出流路と筒状部材の内孔とを連通し、筒状部材の内孔を逆流する気液混合体を導出流路の上流へ導出する出口穴が形成されていることを特徴とする微細気泡発生ノズル。
2. 前記分岐流路は、出口の開口面積が入口の開口面積よりも広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡発生ノズル。